Modulo di espansione per centralina meteo

Modulo di
espansione per
la centralina
meteo
Rilevamento della percentuale di umidità dell’aria
A cura di Simone Venieri Classe 5 B Elettronica e Telecomunicazioni A.S.2006/2007
Premessa
Il progetto assegnato alle classi quinte, anno scolastico 2006/2007, del corso di
Elettronica e Telecomunicazioni consiste nel realizzare una centralina metereologica
in grado di rilevare le principali grandezze metereologiche e di trasmetterle tramite
un collegamento radio, utilizzando un particolare programma, al computer.
Realizzando il modulo di temperatura sono rimasto colpito da come si possa,
utilizzando piccoli sensori, rilevare in maniera precisa la temperatura esterna.
Perciò ho deciso di progettare e realizzare un modulo aggiuntivo per una futura
espansione, che sarà concretizzata sicuramente nell’arco dei prossimi anni scolastici,
in grado di rilevare la quantità di umidità dell’aria, grandezza fisica importante in
quanto ci fornisce la quantità di vapore acqueo presente nell’aria.
Introduzione sulla centralina meteo
La centralina meteo è composta da due schede principali:
 una scheda bus, in cui sono presenti tutti i bus di collegamento per
l’allocazione dei moduli, ed l’alimentatore
 la scheda a microcontrollore 8751 per la gestione dell’intero sistema di
rilevamento.
VCC
U1
31
19
18
RESET
9
INT0
INT1
MPAGE
T1
12
13
14
15
DATA
CLK
RadioTX
RadioRX
CSA0
CSA1
CSA2
WDOG
1
2
3
4
5
6
7
8
EA/VP
X1
X2
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
RESET
INT0
INT1
T0
T1
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
RD
WR
PSEN
ALE/P
TXD
RXD
8751
DIP.100/40/W.600/L2.100
39
38
37
36
35
34
33
32
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
21
22
23
24
25
26
27
28
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15
17
16
29
30
11
10
RD
WR
PSEN
ALE/P
TXD
RXD
L’integrato a fianco è il microcontrollore
8751.
Tramite il programma contenuto nella
EPROM interna, gestisce tutte le funzioni
di memorizzazione, elaborazione e
trasmissione dei dati ricevuti dai moduli.
Tramite i piedini CS abilita la ricezione
esterna dai dati provenienti dalla scheda
BUS su cui sono inseriti i vari moduli.
E’ in grado inoltre di gestire una RAM
esterna nel caso in cui la sua memoria
interna non sia sufficiente.
A sua volta la scheda micro è composta da alcuni moduli:
 il modulo radio, per la trasmissione e ricezioni dei dati a distanza
 il modulo watch-dog, per l’autoreset in caso di problemi del microcontrollore
 il modulo seriale per l’interfacciamento e quindi la programmazione della
intera centralina tramite computer
Esiste anche la predisposizione per una futura espansione sia della memoria RAM
che dell’intera scheda micro.
Nella scheda bus sono presenti i seguenti segnali:
1. +12V (forniti dall’alimentatore)
2. Vcc (5V) (forniti dall’alimentatore)
3. ENC (enable)
4. Data
5. Clock
6-11. Chip Select per le varie schede, gestiti dal microcontrollore
12-19. piedini ausiliari utilizzabili per futuri upgrade
20. GND
MODULI
SCHEDA MICRO
SCHEDA BUS
Descrizione circuito
Il trasduttore
Attualmente la centralina realizzata dagli studenti del corso di Elettronica è in
grado di rilevare solo il dato della temperatura presente sul tetto dell’istituto.
Per rendere la centralina più versatile ho pensato di realizzare un modulo
capace di misurare il grado di umidità nell’aria.
Il sensore per il rilevamento dell’umidità
utilizzato è un PHILIPS H1.
Questo sensore atmosferico è di tipo
capacitivo ed è costituito da un rivestimento non
conduttivo, ricoperto su entrambi i lati da una
lamina d’oro.
Il dielettrico contenuto nel rivestimento
cambia le sue proprietà in base all’umidità
presente nell’ambiente circostante, e quindi il
valore della capacità del sensore dipenderà dalla
percentuale di umidità presente nell’aria. Il
rivestimento è contenuto fra due contatti metallici
e assemblato in un contenitore di plastica.
Questo dispositivo è adatto per misurare percentuali di umidità che partono dal
10% (percentuale ottenibile in zone desertiche), al 90% (misurabile solamente
immergendo l’intera sonda nell’acqua). Al valore 10% corrispondere una capacità
approssimativamente di 100 pF e al valore 90% una capacità di 155 pF
Qui sotto è riportato un grafico che rappresenta come varia la capacità del
sensore in base alla percentuale di umidità dell’aria.
Descrizione del circuito
Siccome un convertitore analogico-digitale (ADC) converte tensioni, è necessario
l’utilizzo di una specifica circuiteria che possa sfruttare la capacità variabile del
sensore Philips per ottenere una variazione di tensione che possa venir letta dall’ADC
e quindi convertita. Il circuito è composto da 3 parti principali:
 un multivibratore astabile;
 un convertitore frequenza tensione;
 un ADC.
4
U1
R
HEADER 2
JP3
TR
Q
5
C1
1
THR
7
1
6
R9
NE555
2
2
1M
R5
1K
8
GND
CV
VCC
DIS
Vout
3
1
2
1
2
2
10 nF
+12
GND
Lo schema sopra riportato rappresenta il circuito relativo al multivibratore
astabile, dispositivo in grado di produrre onde quadre utilizzabili come segnali di
clock.
Sfruttando la capacità variabile del sensore (collegato nell’header 2) si possono
ottenere onde quadre con diverse frequenza.
I valori delle resistenze R5 ed R9 sono rispettivamente di 1000 Ω e 1 MΩ: in
questo modo in uscita si avrà un segnale avente un duty cicle del 50%, come indicato
dal costruttore.
Il condensatore C1 da 10 nF è stato inserito per eliminare i disturbi.
Calcolo della frequenza minima e massima di lavoro:
 umidità 10%
C=100pF
T

0
,
693
*
C
*
(
2
*
R

R
)

0
,
1387
m
sec
TOTALE
9
5
1
F


7
,
209
kHz
MAX
T
TOTALE
 umidità 90%
C=155pF
T

0
,
693
*
C
*
(
2
*
R

R
)

0
,
2149
m
sec
TOTALE
9
5
1
F


4
,
653
kHz
MIN
T
TOTALE
Perciò avremo in uscita sul piedino 3 un’onda quadra di ampiezza 12 V (in
quanto l’ NE555 è alimentato a 12 volt) e con una frequenza che andrà da 4,653 KHz
ai 7,209 KHz.
1
1
+12
R15
2
DIODE
U3 GND
1
2
3
4
2
10K
D2
Vout NE555
R14
470
In TH 1
In TH-/GND
Charge pump1
Out comp Out comp +
V+
Open emitter Open collector
8
7
6
5
LM 2907
1
R13
100K
C10
1 uF
2
2
C9
470 pF
2
R16
10k
1
1
1
Vout
GND
GND
2
GND
GND
Il circuito sopra riportato rappresenta il convertitore frequenza tensione: il
segnale uscente dall’NE555 è applicato al piedino n°1 dell’integrato LM 2907 e
attraverso una circuiteria interna molto complessa lo converte in un segnale continuo.
Con questi valori di capacità ( C9 = 470 pF) e di resistenza ( R13 = 100 KΩ) si
ottiene una tensione continua di uscita compresa fra i 2 e 4 volt.
Vo

Vcc
*
C
*
F
*
R

4
,
06
V
MAX
9
MAX
13
Vo

Vcc
*
C
*
F
*
R

2
,
62
V
MIN
9
MIN
13
Gli altri componenti del circuito sono stati inseriti seguendo le istruzioni del
costruttore.
R17
VIN
1
U2
2
2
100k
7
1
3
5
1
CLK
CS
1
Vref
6
OUT
I/OCLK
REF+
REFCS
TLC548
23
R1
23
R3
GND
DOUT
1
Vref
2
C11
10 uF
AIN
R11
R12
11
2
11
2
2
R4
2
R2
GND
GND
Il circuito sopra riportato è il circuito in grado di convertire segnali analogici in
segnali digitali (in modo da poter essere elaborati dal microcontrollore).
Tale operazione verrà eseguita dal convertitore analogico/digitale (detto anche
ADC dall’inglese Analog to Digital Converter) TLC548 di marca Texas Instruments;
esso è caratterizzato dalla seguenti specifiche:
 è un ADC ad approssimazioni successive;
 effettua una conversione a 8 bit;
 il tempo di conversione è molto breve (massimo 17μsec);
 il dato digitalizzato viene trasmesso all’esterno del componente in modo
seriale.
Il principio di funzionamento di un qualsiasi ADC è abbastanza complesso; il
dato analogico in ingresso (che può essere continuo, periodico oppure aperiodico)
viene sottoposto ad un processo di quantizzazione.
Tale processo consiste nel suddividere il segnale analogico in n fasce; la
quantità delle fasce è proporzionale al numero di bit a disposizione dell’ADC (in
questo caso avendo 8 bit  n = 28 = 256 fasce).
Ad ogni fascia viene così attribuita una combinazione binaria (es. la prima
fascia sarà caratterizzata dalla combinazione binaria 00000000, procedendo fino
all’ultima combinazione binaria 11111111 che identificherà l’ultima fascia).
Di seguito, un esempio di quantizzazione grafica di un segnale aperiodico:
bit
11111111
........
0000....
00001010
00001001
00001000
00000111
00000110
00000101
00000100
00000011
00000010
00000001
00000000
0
t
Tutti gli andamenti del segnale analogico presenti in una singola fascia
verranno quindi approssimati al numero binario ad essa corrispondente.
Chiaramente, visto che questa procedura richiede appunto delle
approssimazioni, il segnale digitalizzato non potrà mai ricalcare alla perfezione il
segnale originario, ma comunque ne potrà essere una copia con una fedeltà veramente
molto alta.
Le 256 fasce a nostra disposizione per la conversione del segnale sono più che
sufficienti al nostro scopo; ovviamente, disponendo di più fasce e di conseguenza di
un ADC con più bit, le approssimazioni saranno molto più piccole, a vantaggio della
fedeltà nella conversione.
Proseguendo, è necessario fissare i valori analogici di massimo (valore di
fondo scala) e di minimo a cui l’ADC dovrà far riferimento per operare le sue
conversioni, attribuendo ai piedini denominati REF+ e REF- rispettivamente il valore
massimo e il valore minimo.
Quindi le resistenze R3, R11, R2 sono state calcolate in modo da avere una tensione
massima convertibile pari a 4 V; ed le resistenze R1, R12, R4 sono state calcolate in
modo da avere una tensione minima convertibile pari a 2,62 V.
La lettura dell’ADC viene attivata tramite il piedino Chip Select ( numero 5) dal
microcontrollore (segnale presente sulla scheda bus), successivamente il segnale
presente sul piedino numero 2 ( VIN), precedentemente filtrato da una cella RC in
modo da eliminare i disturbi, viene convertito in un segnali digitale e mandato al
microcontrollore tramite il piedino 6 (Dout) collegato anch’esso alla scheda bus.
Il clock dell’integrato giunge direttamente dalla scheda bus ed è prodotto dal
microcontrollore, pertanto dopo 8 impulsi di clock (8 bit) il dato è covertito.
Calcolo della frequenza di taglio del filtro RC:
R = 100kΩ
C = 10μF


1
1
F
 

0
,
159
Hz
2
RC
2
*
100
k

*
10
F
JP1
+12
VCC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
DATA
CLOCK
JP2
1
3
5
7
9
11
2
4
6
8
10
12
HEADER 6X2
HEADER 20
GND
CS
Ho inserito un connettore da 20
piedini per poter collegare il modulo con la
scheda bus ed in maniera da poter prelevare
da essa le alimentazioni ( pin 1-2) il clock
(pin 5), il CS (pin 6-11) e per poter
trasmettere i dati rilevati (pin 4).
Siccome le linee di CS sono 6, per
poter scegliere la linea per l’attivazione del
modulo ho inserito il connettore JP2.
Ho deciso di utilizzare come
tensione di riferimento la tensione presente
hai capi di un LM336, uno stabilizzatore di
tensione (il suo funzionamento è simile ad
un diodo zener), che fissa la tensione a 5
volt, invece della VCC, in quanto la
tensione ottenuta è meno disturbata e più
precisa, quindi si possono fissare con
maggiore precisione le tensioni REF+ e
REF-.
La resistenza R18 è stata così
calcolata:
I = 1 mA
1
+12
2
R23
6.8 K
2
Vref
D2
LM336
1
3
GND
12
V

5
V
R


7
k


6
,
8
k

23
1
mA
VCC
1
C16
100uF
C12
100 NF
2
2
C17
22uF
2
1
1
VCC
GND
GND
Per ogni alimentazione ( 5V e 12V)
sono stati inseriti 2 condensatori,uno
normale da 100nF e uno elettrolitico da
22uF, in parallelo in modo da eliminare i
picchi di tensione.
Condensatori da 100nF sono stati
inseriti vicino ad ogni integrato, per
stabilizzare l’alimentazione.
N.B. la massa digitale, ovvero le masse dell’NE555 e dell’ADC è separata dalla
massa analogica , massa dell’ LM2907, per ottenere una maggiore stabilità dei
segnali; ovviamente poi le ho collegate, sul circuito già realizzato, in un punto per il
corretto funzionamento del circuito.
Schemi
Software di gestione
INIZIO
CS = 1 (disabilitazione ADC)
CLK = 0
DATA = 1 (per protezione)
Abilitazione ADC (CS = 0)
Caricamento bit DATA nel Carry
Spostamento bit verso sinistra
CLOCK
FINITO?
NO
SI
Memorizzazione dato (8 bit)
FINE
org 8200h
;indirizzo di partenza, riferito alla RAM, dove viene memorizzato il
programma
CS = P1.0
;primo bit della porta P1, etichettato CS (Chip Select), in uscita dal
microcontrollore per abilitare/disabilitare l’ADC
CLK = P1.1
;secondo bit della porta P1, etichettato CLK (Clock), in uscita dal
microcontrollore per fornire il clock all’ADC
DATA = P1.2 ;terzo bit della porta P1, etichettato DATA, in uscita dall’ADC
al microcontrollore per la trasmissione dei dati di velocità rilevati
init:
setb CS
clr CLK
setb DATA
;inizializzazione
;CS a 1; ADC disabilitato
;CLK a 0; clock azzerato
;DATA a 1; utilizzo del bit come ingresso quindi si setta il bit
ad un livello alto per non danneggiare il MOS interno
main:
call lettadc
;programma principale
;chiamata del sottoprogramma di acquisizione del dato
digitalizzato
;gli 8 bit che convertono il dato analogico vengono
memorizzati nella cella 10h della memoria RAM
;ripetizione
mov 10h,a
jmp main
lettadc:
mov r0,#8
clr CS
;sottoprogramma per l’acquisizione del dato digitalizzato
;caricamento del valore 8 nel registro r0
;abilitazione dell’ADC per iniziare la conversione
loopcv:
;ciclo per la memorizzazione
mov c,DATA
;spostamento dell’uscita nel bit Carry
rlc a
;scorrimento a sinistra del registro Accumulatore attraverso il
bit Carry
setb CLK ;set e reset del CLK per generare un fronte di discesa del
clr CLK
segnale di clock
djnz r0,loopcv ;ripetizione fino a che il registro r0 non si è azzerato
setb CS
ret
end
;disabilitazione dell’ADC
;ritorno dal sottoprogramma
;fine del programma
Preventivo costi
Preventivo dei costi
PREVENTIVO SCHEDA MODULO UMIDITA'
DENOMINAZIONE DESCRIZIONE
Header
12 pin
Header
2 pin
Header
20 pin
QUANTITA'
1
1
1
COSTO UN.
€ 0,90
€ 0,50
€ 0,50
TOTALE PARZ.
€ 0,90
€ 0,50
€ 0,50
Condensatori
elettrolitici
Condensatore
Condensatori
22 uF
10 uF
100 nF
2
1
5
€ 0,10
€ 0,06
€ 0,06
€ 0,20
€ 0,06
€ 0,30
Condensatore
elettrolitico
Condensatore
Resistenze
Resistenze
Resistenza
Resistenza
Resistenza
Resistenza
Resistenza
Resistenza
Trimmer
1 uF
470 pF
10 k
470Ω
6,8 k
100 k
1k
1 MΩ
18 k
27 k
10 k
1
1
3
1
1
2
1
1
2
1
2
€ 0,10
€ 0,06
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,90
€ 0,10
€ 0,06
€ 0,15
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,10
€ 0,05
€ 0,05
€ 0,10
€ 0,05
€ 1,80
LM 336
TLC 548
1
1
1
1
30
1
€ 0,25
€ 1,00
€ 0,50
€ 3,60
€ 0,03
€ 4,50
€ 0,25
€ 1,00
€ 0,50
€ 3,60
€ 0,90
€ 4,50
€ 123,00
€ 1,48
€ 17,25
Regolatore
tensione
A/D converter
NE 555
LM 2907
Tulipani
Sonda umidità
Basetta
TOT
femmine
Philips H1
0,012m2 doppia
faccia
Summary
The plan of this scholastic year, assigned to the classes fifth of the electronics
course, consists in realizing one weather telephone exchange.
Unfortunately this year we are resolutions to only realize the module for the
measurement of the temperature, therefore I have decided to widen the plan realizing
a module in a position to finding the percentage of humidity of the air.
The used sensor is a sensor of capacitivo type, therefore I have used its variable
ability like condenser of a astable one with NE 555; in this way to the escape of the
integrated one a wave will be had quadrant with variable frequency, based on the
value of the capacity.
Subsequently I have had to convert the wave in d.c. voltage, so that it can come
read from the ADC, through a converter frequency/tension. The ADC then will
convert marks them continuous in marks them digita them, comprehensible from the
computer.
Conclusioni
Una volta effettuato il collaudo su breadbord, ho realizzato il circuito stampato,
e successivamente l’ho testato.
Dopo aver montato tutti gli integrati ho collegato il modulo alla scheda bus ed
ho alimentato l’alimentatore della centralina ( tensione pari a 18 V).
Per testare il circuito ho utilizzato prima come sonda un condensatore da 100
pF (capacità minima della sonda), in questo modo in uscita dell’LM 2907 vi è una
tensioni pari a 2,78 V ( teoricamente 2,62 V, tensione minina), e poi un condensatore
da 150pF (capacità massima della sonda), ottenendo una tensione di uscita
dall’integrato pari a 4,01 V ( teoricamente 4,06 V, tensione massima).
Successivamente ho sostituito il condensatore con il sensore ed ho ottenuto una
tensione di uscita pari a 3,4 V, ciò dimostra che nel laboratorio, dove ho eseguito il
test, vi è una percentuale di umidità pari al 60%.
Mediante il programma di acquisizione ho visualizzato il dato sul computer.
Grazie a questa esperienza ho potuto capire in prima persona le difficoltà che si
nascondono dietro la progettazione e la realizzazione di un circuito; vi sono regole da
seguire, decine di accorgimenti,di migliorie,ecc.,ecc.,nonostante avessi come esempio
il modulo di temperatura, già realizzato.
Aver sviluppato e portato a termine il progetto mi riempie di soddisfazione, in
quanto in futuro, quando verranno effettuate le espansioni, e si deciderà di sviluppare
un modulo per il rilevamento dell’umidità si potrà partire dal mio progetto,
perfezionandolo e/o ampliandolo.
Realizzando questo progetto pluridisciplinare ho potuto sfruttare le mie
conoscenze delle materie tecniche del corso, quali Elettronica, Telecomunicazioni,
Tecnologia, e Sistemi e metterle in atto.
Ho potuto inoltre capire l’importanza della lingua inglese, indispensabile per la
navigazione su siti web commerciali.
Bibliografia
Siti web:
http://www.national.com
http://www.datasheetcatalog.com
http://www.gefran.com
http://www.tecnosens.it
Libri :
“Corso di Tecnologia,Disegno e Progettazione elettronica” Vol. 3 Fausto Ferri Hoepli
“Elettronica digitale” Elisabetta Cuniberti e Luciano De Lucchi Petrini editore
Data sheet